Las heteroestructuras formadas por diferentes semiconductores tridimensionales forman la base de los dispositivos electrónicos y fotónicos modernos. Ahora, los científicos de la Universidad de Washington han combinado con éxito dos semiconductores ultrafinos diferentes, cada uno con una capa de átomos de espesor y aproximadamente 100,000 veces más delgadas que un humanocabello - para hacer una nueva heteroestructura bidimensional con usos potenciales en energía limpia y electrónica ópticamente activa. El equipo, liderado por el distinguido profesor asociado de Boeing Xiaodong Xu, anunció sus hallazgos en un artículo publicado el 12 de febrero en la revista ciencia .
El autor principal Xu y los autores principales Kyle Seyler y Pasqual Rivera, ambos estudiantes de doctorado en el departamento de física de la Universidad de Washington, sintetizaron e investigaron las propiedades ópticas de este nuevo tipo de sándwich semiconductor.
"Lo que estamos viendo aquí es distinto de las heteroestructuras hechas de semiconductores 3-D", dijo Xu, quien tiene citas conjuntas en el Departamento de Física y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Hemos creado un sistema paraestudie las propiedades especiales de estas capas atómicamente delgadas y su potencial para responder preguntas básicas sobre física y desarrollar nuevas tecnologías electrónicas y fotónicas ".
Cuando los semiconductores absorben luz, se pueden formar y unir pares de cargas positivas y negativas para crear los llamados excitones. Los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo se comportan estos excitones, pero cuando se exprimen hasta el límite 2-D en estos átomos atómicamente delgadosmateriales, pueden ocurrir interacciones sorprendentes.
Si bien los semiconductores tradicionales manipulan el flujo de carga de electrones, este dispositivo permite preservar los excitones en los "valles", un concepto de la mecánica cuántica similar al giro de los electrones. Este es un paso crítico en el desarrollo de nuevas tecnologías a nanoescala que se integranluz con electrónica.
"Ya se sabía que estos semiconductores 2D ultrafinos tienen estas propiedades únicas que no se pueden encontrar en otros arreglos 2D o 3D", dijo Xu. "Pero como mostramos aquí, cuando colocamos estas dos capasjuntos, uno encima del otro, la interfaz entre estas hojas se convierte en el sitio de propiedades físicas aún más nuevas, que no se ven en cada capa por sí mismas o en la versión 3-D ".
Xu y su equipo querían crear y explorar las propiedades de una heteroestructura de semiconductores 2-D compuesta de dos capas diferentes de material, una expansión natural de sus estudios previos sobre uniones atómicamente delgadas, así como láseres a nanoescala basados en atómicamente delgadoscapas de semiconductores. Al estudiar cómo interactúa la luz láser con esta heteroestructura, reunieron información sobre las propiedades físicas en la interfaz atómicamente nítida.
"Muchos grupos han estudiado las propiedades ópticas de las hojas 2-D individuales", dijo Seyler. "Lo que hacemos aquí es apilar cuidadosamente un material encima de otro y luego estudiar las nuevas propiedades que surgen en la interfaz".
El equipo obtuvo dos tipos de cristales semiconductores, diselenuro de tungsteno WSe2 y diselenuro de molibdeno MoSe2, de colaboradores del Laboratorio Nacional Oak Ridge. Usaron instalaciones desarrolladas internamente para organizar con precisión dos capas, una derivada de cada cristal,un proceso que tardó algunos años en desarrollarse completamente.
"Pero ahora que sabemos cómo hacerlo correctamente, podemos hacer nuevos en una o dos semanas", dijo Xu.
Hacer que estos dispositivos emitan luz planteó un desafío único, debido a las propiedades de los electrones en cada capa.
"Una vez que tenga estas dos hojas de material, una pregunta esencial es cómo colocar las dos capas juntas", dijo Seyler. Los electrones en cada capa tienen propiedades únicas de giro y valle, y "cómo los coloca: su giroángulo: afecta la forma en que interactúan con la luz "
Al alinear las redes cristalinas, los autores podrían excitar la heteroestructura con un láser y crear excitones ópticamente activos entre las dos capas.
"Estos excitones en la interfaz pueden almacenar información del valle por órdenes de magnitud más largos que cualquiera de las capas", dijo Rivera. "Esta larga vida permite efectos fascinantes que pueden conducir a aplicaciones ópticas y electrónicas adicionales con funcionalidad de valle"
Ahora que pueden fabricar eficientemente una heteroestructura de semiconductores con materiales bidimensionales, Xu y su equipo desearían explorar una serie de propiedades físicas fascinantes, incluida la forma en que el comportamiento del excitón varía a medida que cambian los ángulos entre las capas, las propiedades cuánticas excitonesentre capas y emisión de luz accionada eléctricamente.
"Hay toda una industria que quiere usar estos semiconductores 2-D para hacer nuevos dispositivos electrónicos y fotónicos", dijo Xu. "Así que estamos tratando de estudiar las propiedades fundamentales de estas nuevas heteroestructuras para cosas como la tecnología láser eficiente,Diodos emisores de luz y dispositivos de captación de luz. Esperamos que sean útiles para aplicaciones de energía limpia y tecnología de la información. Es bastante emocionante, pero hay mucho trabajo por hacer ".
Otros coautores son Hongyi Yu y Wang Yao en la Universidad de Hong Kong; Jiaqiang Yan y David Mandrus en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad de Tennessee; y el investigador postdoctoral de física de la Universidad de Washington John Schaibley. Los autores de la Universidad de Washington fueron financiados principalmente porDepartamento de Energía de los EE. UU., con apoyo adicional del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington y la Fundación Nacional de Ciencias.
Números de concesión: DE-SC0008145 y DE-SC0012509.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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